2019年第1期 光通信研究 2019.02 总第211期 STUDY ON OPTICAL COMMUNICATIONS (Sum. No 211) doi:10.13756/j. gtx.2019.01.002 特邀稿件 集成光开关发展现状及关键技术(特邀 周林杰,陆梁军,郭展志,赵硕义,李祖湘,高伟,李鑫,陈建平 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海200240 摘要:随着网络传输数据流量的爆炸性增长,传统电交换由于其有限的带寬和高功耗将很难满足网络带宽发展需求。光交换 能直接在光域上完成光信道间信息的交换,具有高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成本等诸多优点,能满足下一代全光 交换网络、数据中心和高性能计算机光互连网络建设的迫切需求。文章介绍了集成光开关的发展现状及核心技术,包括采用 氧化硅、IlⅤ族丰导体材料和硅材料来制作光开关的进展以及各种技术的特点。其中硅基集威光开关具有结构緊凑、功耗 成本低以及与互补型金属一氧化物一半导体(CMOS)工艺兼容的优势,适合大规模光开关制作和量产,具有潜在的巨大市 场商用价值。文章重点介绍了实现硅基光开关的核心单元器件以及几种代表性光开关阵列,并对光开关状态监控和调节以 及光电對装傲了阐述 关键词:硅基光电子;光开关;光波导;集成光子学 中图分类号:O436 文献标志码:A文章编号:1005-8788(2019)01-0009-18 Development Status and Key Technologies of Integrated Optical Switches ZHOU Linjie, LU Liang-jun, GUO Zhan-zhi, ZHAO Shuoryi, LI Zur-xiang, GAO Wei, LI Xin, CHEN Jian-ping (State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks hanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: With the explosive growth of data traffic in communication networks, traditional electrical switches will be difficult to satisfy the requirement of broadband network development due to their limited bandwidth and high-power consumption. With optical switches, data can be directly exchanged in the optical domain without conversion. All-optical switching has many ad- vantages such as high speed, wide bandwidth, transparency, low power consumption and low cost, It can be applied in the next generation all-optical switching networks, data center and high-performance computer interconnect networks, This paper intro- duces the development status and core technologies of integrated optical switches, including the implementation of optical swit- hes using silicon dioxide, III-V semiconductor materials and silicon materials, Among them, the silicon based integrated opti- al switches have the advantages of compact size, low power consumption, and compatibility with Complementary Metal-Ox ide-Semiconductor(CMOS) technologies, which are suitable for massive low-cost production that can potentially find rich mar- ket applications, This paper focuses on the implementation of the elementary devices for silicon based optical switches and sev eral representative optical switch fabrics. The methods for the switch state monitoring and switch chip package are also cov- ered Key words: silicon photonics optical switch: optical waveguide; integrated photonics 0引言 换模式有能耗高和体积庞大的缺点,而采用全光交 换的光互连技术直接在光域完成光信道间信息的交 在现如今这个数字时代,网络传输数据流量的换,则具有高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成 增长速度日益加剧。受到各种大数据应用诸如云计本等诸多优点,一直被看作是克服传统的电子交换 算和高清晰视频传输等的推动,数据中心内部机柜技术瓶颈的方法。光互连技术目前仅以点对点光学 之间的数据传输量将会激增。随着对数据流量的进链路的形式使用。不断增长的数据流量和指导集成 步需求,未来数据中心的规模势必将继续扩大,服电路发展的摩尔定律逐渐失效,将使数据中心发展 务器机柜的数量将会进一步增长。数据中心内部流受限于数据传输带宽和功耗问题。解决这些问题最 量估计约为全球互联网流量的4倍,且继续以每年可行的方案是将目前电开关所承载的大流量部分转 27%的速度增长。数据在数据中心内的服务器/移到光路交换上来。用于数据中心内部网络的光交 存储器之间的流量超过了出入站流量。在数据交换换机必须具有大端口数以及快速交换能力,以从电 节点处采用光一电一光的交换方式,势必将会受困开关卸载尽可能多的流量到光开关并减小数据交换 于电子交换技术的发展瓶颈。光一电一光的信号交成本[23。光交换机的数据格式应透明,以适应未来 收稿日期:2018-10-15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61705129;61422508;61535006:61661130155) 作者简介:周林杰(1980-),男,浙江平湖人。教授,博士,主要研究方向为硅基光电子集成 通信作者:周林杰,教授。E-mail:lizhou@sjtu.edu.cn
doi:10.13756/j.gtxyj.2019.01.002 特邀稿件 集成光开关发展现状及关键技术(特邀) 周林杰,陆梁军,郭展志,赵硕义,李祖湘,高 伟,李 鑫,陈建平 (上海交通大学 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海 200240) 摘要:随着网络传输数据流量的爆炸性增长,传统电交换由于其有限的带宽和高功耗将很难满足网络带宽发展需求。光交换 能直接在光域上完成光信道间信息的交换,具有高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成本等诸多优点,能满足下一代全光 交换网络、数据中心和高性能计算机光互连网络建设的迫切需求。文章介绍了集成光开关的发展现状及核心技术,包括采用 氧化硅、III-V 族半导体材料和硅材料来制作光开关的进展以及各种技术的特点。其中硅基集成光开关具有结构紧凑、功耗 小、成本低以及与互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺兼容的优势,适合大规模光开关制作和量产,具有潜在的巨大市 场商用价值。文章重点介绍了实现硅基光开关的核心单元器件以及几种代表性光开关阵列,并对光开关状态监控和调节以 及光电封装做了阐述。 关键词:硅基光电子;光开关;光波导;集成光子学 中图分类号:O436 文献标志码:A 文章编号:1005-8788(2019)01-0009-18 DevelopmentStatusandKeyTechnologiesofIntegratedOpticalSwitches ZHOULin-jie,LULiang-jun,GUOZhan-zhi,ZHAOShuo-yi,LIZu-xiang,GAO Wei,LIXin,CHENJian-ping (StateKeyLaboratoryofAdvancedOpticalCommunicationSystemsandNetworks, ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China) Abstract:Withtheexplosivegrowthofdatatrafficincommunicationnetworks,traditionalelectricalswitcheswillbedifficultto satisfytherequirementofbroadbandnetworkdevelopmentduetotheirlimitedbandwidthandhigh-powerconsumption.With opticalswitches,datacanbedirectlyexchangedintheopticaldomainwithoutconversion.All-opticalswitchinghasmanyadvantagessuchashighspeed,widebandwidth,transparency,lowpowerconsumptionandlowcost.Itcanbeappliedinthenext generationall-opticalswitchingnetworks,datacenterandhigh-performancecomputerinterconnectnetworks.Thispaperintroducesthedevelopmentstatusandcoretechnologiesofintegratedopticalswitches,includingtheimplementationofopticalswitchesusingsilicondioxide,III-Vsemiconductormaterialsandsiliconmaterials.Amongthem,thesiliconbasedintegratedopticalswitcheshavetheadvantagesofcompactsize,lowpowerconsumption,andcompatibilitywithComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor(CMOS)technologies,whicharesuitableformassivelow-costproductionthatcanpotentiallyfindrichmarketapplications.Thispaperfocusesontheimplementationoftheelementarydevicesforsiliconbasedopticalswitchesandseveralrepresentativeopticalswitchfabrics.Themethodsfortheswitchstatemonitoringandswitchchippackagearealsocovered. Keywords:siliconphotonics;opticalswitch;opticalwaveguide;integratedphotonics 0 引 言 在现如今这个数字时代,网络传输数据流量的 增长速度日益加剧。受到各种大数据应用诸如云计 算和高清晰视频传输等的推动,数据中心内部机柜 之间的数据传输量将会激增。随着对数据流量的进 一步需求,未来数据中心的规模势必将继续扩大,服 务器机柜的数量将会进一步增长。数据中心内部流 量估计约为全球互联网流量的4倍,且继续以每年 27%的速度增长[1]。数据在数据中心内的服务器/ 存储器之间的流量超过了出入站流量。在数据交换 节点处采用光-电-光的交换方式,势必将会受困 于电子交换技术的发展瓶颈。光-电-光的信号交 换模式有能耗高和体积庞大的缺点,而采用全光交 换的光互连技术直接在光域完成光信道间信息的交 换,则具有高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成 本等诸多优点,一直被看作是克服传统的电子交换 技术瓶颈的方法。光互连技术目前仅以点对点光学 链路的形式使用。不断增长的数据流量和指导集成 电路发展的摩尔定律逐渐失效,将使数据中心发展 受限于数据传输带宽和功耗问题。解决这些问题最 可行的方案是将目前电开关所承载的大流量部分转 移到光路交换上来。用于数据中心内部网络的光交 换机必须具有大端口数以及快速交换能力,以从电 开关卸载尽可能多的流量到光开关并减小数据交换 成本[2-3]。光交换机的数据格式应透明,以适应未来 收稿日期:2018-10-15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61705129;61422508;61535006;61661130155) 作者简介:周林杰(1980-),男,浙江平湖人。教授,博士,主要研究方向为硅基光电子集成。 通信作者:周林杰,教授。E-mail:ljzhou@sjtu.edu.cn 9 2019年 第1期 总第211期 光 通 信 研 究 STUDY ON OPTICALCOMMUNICATIONS 2019.02 (Sum.No.211)
光通信研究 2019年第1期总第211期 数据速率和调制格式的多样化。此外,目前超级计实验室报道的基于MEMS技术的光开关最大端口 算机采用并行多核处理器结构,其计算性能取决于数超过了1100个,平均光纤到光纤插人损耗为 处理器性能和处理器之间的数据交互能力这两个因2.1dB,所有可能的连接最大插入损耗为4.0dB。 素。由于电子技术在传输和交换上面临的瓶颈,采MEMS光开关的主要缺点是芯片尺寸大,交换速度 用光互连和光交换以提升处理器之间的数据交互能慢(毫秒量级),系统庞大稳定性差,需要复杂的控制 力是超级计算机的发展趋势。因此,在计算机通信反馈系统来保持镜子的角度。SiO2PLC平面波导 网系统中,也需要实现快速光交换 技术广泛应用于各种无源器件,具有工艺简单和损 高速光开关芯片和模块是光交换系统中最基本耗低等优点。SO2PC光开关的缺点是芯片尺寸 和最核心的部件,其重要性等同于电子设备中的处较大,不太可能继续增大端口数;同时由于SiO2的 理器。未来全光交换要满足高速大容量和低时延交热光系数较小,交换的功耗较大,交换速度仅为毫秒 换的要求,大端口和快速切换的光开关芯片必不可量级。IV族半导体材料也是良好的集成光电子 少。采用分立光开关器件实现光交换的方式在插材料,可用于实现光开关。IV族材料的一个优点 损、体积、功耗和可靠性等方面存在诸多问题,不具是可以实现纳秒量级的开关速度。此外,IlV族材 备商用化应用的前景。光子集成技术能够大幅度减料是直接带隙材料,可以实现有源器件(激光器和放 小系统体积、降低耗能和节约成本,因此全光交换网大器等),可用于波长转换或补偿光路损耗。但是 络中使用的大规模光开关非常适合采用光子集成技基于IlV族材料的光开关功耗都较大,也无法加 术来实现。研究结果表明,采用光子集成芯片的光大于4英寸的晶圆,不适于大端口数光开关阵列 子路由器,其功耗、体积和重量均可以降至分立光开芯片的低成本和规模化生产。由于硅基光电子器件 关器件的1‰以下。 具有尺寸小、集成度高和制作工艺与传统微电子 硅基光电子技术因其独特优势,具备实现大容CMOS工艺相兼容的特点,因此可以大幅度降低基 量、低延时、多端口、低功耗以及快速切换的大规模于硅基光电子技术的光开关芯片成本。硅基光开关 开关芯片的前景。首先,硅基光波导结构具有高折是近年来国际上的热门研究领域。铌酸锂材料是 射率差,这意味着波导弯曲半径更小,器件能做得更种用于制作高速调制器的常见材料,它也能用于制 紧凑,有利于实现大规模集成;其次,尽管硅材料不作光开关,但是尺寸过大,不能高密度集成[。聚 具有线性电光效应,但通过载流子色散效应,可实现合物材料能制作柔性光开关,可用于可穿戴设备上 高速的电光调制,使得纳秒量级的快速光路切换成但同样由于波导尺寸过大,大规模扩展性较差[s10。 为可能;最后,硅基光电子技术因为其与互补型金属 光开关的种类和实现方式很多,下面就简单介 一氧化物一半导体( Complementary Metal-Oxide-绍几种基于常见材料的光开关芯片的技术进展 Semiconductor,CMOS)工艺的兼容性,具有实现低1.1SiO2材料 功耗和低成本光开关芯片的技术前景 SO2PLC平面波导技术主要应用场景是在无 1光开关集成平台 源器件方面,该技术在光分路器、光合路器[1以 及阵列波导光栅( Arrayed Waveguide grating, 光开关阵列是光交换的核心,其基本功能是实AwG)1中广泛应用。PLC集成光子技术具有制 现光信号在不同光路上的快速交换。对光开关的基作简单、插入损耗低、偏振不敏感、稳定性好、易于连 本要求是插入损耗小、串扰低、扩展性好、结构紧凑、接光纤和适宜批量生产等优点。作为光开关的实现 适于批量生产、操作方便、可靠性好和寿命长。不同技术,它依赖于热光效应,可通过马赫一增德尔干涉 的应用场合对各种参数的要求有所不同。 仪(Mach- Zehnder interferometer,MZI)结构实现 光开关最常用的实现方式包括采用微机电系统多端口光开关 ( Micro- Electro-Mechanical System,MEMS)、二 用于制作SiO2PLC光开关的波导折射率对比 氧化硅(SO2)平面光路( Planar Lightwave Circuit,度通常为0.75%或1.5%,其中0.75%折射率对比 PIC)、Ⅲⅴ族材料以及硅基光电子集成等。度波导具有低传播损耗和低光纤耦合损耗,而1.5% MEMS光开关阵列通常利用静电力作用产生机械折射率对比度波导具有更小的弯曲半径(2mm),能 运动改变镜子的方向,从而改变光路。MEMS光交实现更紧凑和更大规模的PLC光开关。 换具有低损耗、低串扰、偏振无关等优点。目前 构建大容量光交换系统时,低成本和大规模开 10
数据速率和调制格式的多样化。此外,目前超级计 算机采用并行多核处理器结构,其计算性能取决于 处理器性能和处理器之间的数据交互能力这两个因 素。由于电子技术在传输和交换上面临的瓶颈,采 用光互连和光交换以提升处理器之间的数据交互能 力是超级计算机的发展趋势。因此,在计算机通信 网系统中,也需要实现快速光交换。 高速光开关芯片和模块是光交换系统中最基本 和最核心的部件,其重要性等同于电子设备中的处 理器。未来全光交换要满足高速大容量和低时延交 换的要求,大端口和快速切换的光开关芯片必不可 少。采用分立光开关器件实现光交换的方式在插 损、体积、功耗和可靠性等方面存在诸多问题,不具 备商用化应用的前景。光子集成技术能够大幅度减 小系统体积、降低耗能和节约成本,因此全光交换网 络中使用的大规模光开关非常适合采用光子集成技 术来实现。研究结果表明,采用光子集成芯片的光 子路由器,其功耗、体积和重量均可以降至分立光开 关器件的1‰以下。 硅基光电子技术因其独特优势,具备实现大容 量、低延时、多端口、低功耗以及快速切换的大规模 开关芯片的前景。首先,硅基光波导结构具有高折 射率差,这意味着波导弯曲半径更小,器件能做得更 紧凑,有利于实现大规模集成;其次,尽管硅材料不 具有线性电光效应,但通过载流子色散效应,可实现 高速的电光调制,使得纳秒量级的快速光路切换成 为可能;最后,硅基光电子技术因为其与互补型金属 -氧化物 - 半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor,CMOS)工艺的兼容性,具有实现低 功耗和低成本光开关芯片的技术前景。 1 光开关集成平台 光开关阵列是光交换的核心,其基本功能是实 现光信号在不同光路上的快速交换。对光开关的基 本要求是插入损耗小、串扰低、扩展性好、结构紧凑、 适于批量生产、操作方便、可靠性好和寿命长。不同 的应用场合对各种参数的要求有所不同。 光开关最常用的实现方式包括采用微机电系统 (Micro-Electro-MechanicalSystem ,MEMS)、二 氧化硅(SiO2)平面光路(PlanarLightwaveCircuit, PLC)、III-V 族 材 料 以 及 硅 基 光 电 子 集 成 等。 MEMS光开关阵列通常利用静电力作用产生机械 运动改变镜子的方向,从而改变光路。MEMS光交 换具有低损耗、低串扰、偏振无关等优点[4-6]。目前 实验室报道的基于 MEMS技术的光开关最大端口 数超过 了 1100 个,平 均 光 纤 到 光 纤 插 入 损 耗 为 2.1dB,所有可能的连接最大插入损耗为4.0dB [6]。 MEMS光开关的主要缺点是芯片尺寸大,交换速度 慢(毫秒量级),系统庞大稳定性差,需要复杂的控制 反馈系统来保持镜子的角度。SiO2 PLC 平面波导 技术广泛应用于各种无源器件,具有工艺简单和损 耗低等优点。SiO2 PLC 光开关的缺点是芯片尺寸 较大,不太可能继续增大端口数;同时由于 SiO2 的 热光系数较小,交换的功耗较大,交换速度仅为毫秒 量级。III-V 族半导体材料也是良好的集成光电子 材料,可用于实现光开关。III-V 族材料的一个优点 是可以实现纳秒量级的开关速度。此外,III-V 族材 料是直接带隙材料,可以实现有源器件(激光器和放 大器等),可用于波长转换或补偿光路损耗。但是, 基于III-V 族材料的光开关功耗都较大,也无法加 工大于4英寸的晶圆,不适于大端口数光开关阵列 芯片的低成本和规模化生产。由于硅基光电子器件 具有尺寸 小、集 成 度 高 和 制 作 工 艺 与 传 统 微 电 子 CMOS工艺相兼容的特点,因此可以大幅度降低基 于硅基光电子技术的光开关芯片成本。硅基光开关 是近年来国际上的热门研究领域。铌酸锂材料是一 种用于制作高速调制器的常见材料,它也能用于制 作光开关,但是尺寸过大,不能高密度集成[7-8]。聚 合物材料能制作柔性光开关,可用于可穿戴设备上, 但同样由于波导尺寸过大,大规模扩展性较差[9-10]。 光开关的种类和实现方式很多,下面就简单介 绍几种基于常见材料的光开关芯片的技术进展。 1.1 SiO2 材料 SiO2 PLC平面波导技术主要应用场景是在无 源器件方面,该技术在光分路器、光合路器[11-12]以 及 阵 列 波 导 光 栅 (Arrayed Waveguide Grating, AWG)[13]中广泛应用。PLC 集成光子技术具有制 作简单、插入损耗低、偏振不敏感、稳定性好、易于连 接光纤和适宜批量生产等优点。作为光开关的实现 技术,它依赖于热光效应,可通过马赫-增德尔干涉 仪(Mach-ZehnderInterferometer,MZI)结构实现 多端口光开关[14-19]。 用于制作SiO2 PLC光开关的波导折射率对比 度通常为0.75%或1.5%,其中0.75%折射率对比 度波导具有低传播损耗和低光纤耦合损耗,而1.5% 折射率对比度波导具有更小的弯曲半径(2mm),能 实现更紧凑和更大规模的 PLC光开关。 构建大容量光交换系统时,低成本和大规模开 10 光通信研究 2019年 第1期 总第211期
周林杰等:集成光开关发展现状及关键技术 发光开关的一个关键问题是降低功耗。PLC波导带隙材料,可以实现多种有源器件,如激光器、放大 热光移相器所消耗的功耗最终限制了开关规模。降器和探测器等,是良好的集成光子材料。采用Ⅲ-V 低功耗的一个办法是在波导周围制作空气隔热槽,族材料可以实现波长变换或补偿光传输过程中的损 使波导芯层可以有效地被加热同时又抑制热量向周耗,能给光开关芯片提供额外功能,而且Ⅲ-V族材 围传播。对于折射率对比度为1.5%的SiO2波导 料具有良好的线性电光效应,能实现高速的电光调 当下包层厚度为50μm,包层脊宽度为20m时,制,这意味着其可以实现纳秒量级以下的光交换。 MZI开关切换功耗为45mW,仅为使用常规SiO2但是,基于Ⅲ-V族材料的光开关功耗都比较大,而 波导开关切换功耗的1/10左右[1,响应时间也能且Ⅲ-V族工艺加工大于4寸的晶圆比较困难,不 易实现大规模低成本集成 当光开关达到一定规模后,需要单独控制的开 基于IV族半导体光放大器( Semiconducto 关单元数目非常庞大。为了实现简单的开光调控, Optical Amplifier,SOA)的光开关通常基于广播和 可以将热光移相器驱动电芯片、光开关芯片以及控选择( Broadcast- and-select,B8.s)或者切换和选择 制和电源终端封装在一起∞。将集成电路芯片安( Switch- and-Select,S8S)拓扑结构[。光路 装在PLC芯片表面,不需要将电路布线延伸到PLCS8.S部分可以通过级联MZI实现。SOA放置于 芯片端面,因而减少了电路走线所需要的空间,同时MZI之后用于提供增益或衰减。SOA在关闭状态 PLC芯片端面焊盘数量可以减少,使封装变得更简下具有很大损耗,能吸收串扰光信号,提高光开关的 化,降低了模块组装成本 消光比;而它在开启状态下能提供增益,可用于补偿 至今报道的基于SiO2PLC光开关的最大端口分路/合路器以及无源波导的损耗。随着光开关阵 数为32×32。该光开关采用压缩路径无关插损列规模增大,每条光路上分路/合路器的数量和无源 (Path- Independent- Insertion-Loss, PILOSS)拓扑波导的总长度不断增加,这就需要更大增益量的 结构和柔性印刷电路板技术,大大减少了光波导区SOA来补偿增长的损耗。但是,这会引入放大器自 域和所需的布线空间,并且容易将光开关芯片和热发辐射噪声( Amplifier Spontaneous Emission 调驱动电路封装在一个模块内。该光开关芯片插入 noise,ASE),引起信号失真,并增加光开关功率预 损耗为6.6dB,消光比为55dB,响应时间为算。如图1所示为一个基于MZ-SOA的2×2光 0.7ms,能用于可重构光分插复用器和波长粒度的开关单元结构,MZI的两个输出都连接到SOA, 光路交换系统中 信号输出端口SOA打开以补偿无源器件损耗,另 早期SiO2PLC波导具有较小的折射率对比一个输出端口的SOA处于关闭状态以抑制串扰。 度,因而PLC芯片尺寸较大。 Furukawa公司近年基于该MZl光开关并采用扩展 Benes拓扑结构可 来开发了一种基于二氧化锆一二氧化硅(ZrO2-以进一步减少串扰m3。图2所示为一个采用扩展 SiO2)的高折射率波导材料的PLC技术1,利用这 Benes结构的4×4光开关,它包括4个2×2扩展 种技术实现的波导具有5%以上的折射率对比度, Benes开关单元,每个单元由4个MZ和8个SOA 远远超过了传统PLC,因而芯片具有更小的尺寸。构成。虽然该2×2开关单元具有4个输入和4个 zrO2-SiO2PLC的基本光学特性与传统PLC相当,输出,但外部输入和输出只用到了两个端口。MZI 利用热光效应可以实现多种光开关[223。 两臂上的相位调制器采用量子限制斯塔克效应 SO2PLC技术经过二十多年发展,已经非常成( Quantum-Confined Stark Effect,QCSE),与载流 熟,它具有损耗低和串扰小的优点,但是芯片尺寸相注入移相器相比,QCSE移相器通过改变施加的 比于其他材料制作的芯片仍然过大,功耗也很高,响电压来实现开关切换,因而无静态功耗 应比较慢。虽然SiO2PLC光开关还在不断发展, MZI单元部分 +S04部分 但受限于材料属性,很难满足未来对小型化光开关→ 偏置部 o)→低 芯片的需求 MMI 1.2I-V族材料 偏置部 →OF→压缩 Ⅲ-V族半导体材料(如磷化铟(InP)基材料)也 注:MMI为多模干涉仪 是良好的集成光电子材料,可以用来实现具有纳秒 图1基于MZI-SOA的2×2光开关单元[ 量级切换时间的电光开关[2529。Ⅲ-V材料是直接 11
发光开关的一个关键问题是降低功耗。PLC 波导 热光移相器所消耗的功耗最终限制了开关规模。降 低功耗的一个办法是在波导周围制作空气隔热槽, 使波导芯层可以有效地被加热同时又抑制热量向周 围传播。对于折射率对比度为1.5%的 SiO2 波导, 当下包层厚度为50μm,包层脊宽度为20μm 时, MZI开关切换功耗为45 mW,仅为使用常规 SiO2 波导开关切换功耗的1/10左右[18],响应时间也能 <3ms。 当光开关达到一定规模后,需要单独控制的开 关单元数目非常庞大。为了实现简单的开光调控, 可以将热光移相器驱动电芯片、光开关芯片以及控 制和电源终端封装在一起[20]。将集成电路芯片安 装在PLC芯片表面,不需要将电路布线延伸到PLC 芯片端面,因而减少了电路走线所需要的空间,同时 PLC芯片端面焊盘数量可以减少,使封装变得更简 化,降低了模块组装成本。 至今报道的基于 SiO2 PLC光开关的最大端口 数为32×32 [16]。该光开关采用压缩路径无关插损 (Path-Independent-Insertion-Loss,PILOSS)拓 扑 结构和柔性印刷电路板技术,大大减少了光波导区 域和所需的布线空间,并且容易将光开关芯片和热 调驱动电路封装在一个模块内。该光开关芯片插入 损耗 为 6.6 dB,消 光 比 为 55 dB,响 应 时 间 为 0.7ms,能用于可重构光分插复用器和波长粒度的 光路交换系统中。 早期 SiO2 PLC 波 导 具 有 较 小 的 折 射 率 对 比 度,因而 PLC 芯片尺寸较大。Furukawa公司近年 来开发 了 一 种 基 于 二 氧 化 锆 - 二 氧 化 硅 (ZrO2- SiO2)的高折射率波导材料的 PLC 技术[21],利用这 种技术实现的波导具有5%以上的折射率对比度, 远远超过了传统 PLC,因而芯片具有更小的尺寸。 ZrO2-SiO2 PLC的基本光学特性与传统 PLC相当, 利用热光效应可以实现多种光开关[22-24]。 SiO2 PLC技术经过二十多年发展,已经非常成 熟,它具有损耗低和串扰小的优点,但是芯片尺寸相 比于其他材料制作的芯片仍然过大,功耗也很高,响 应比较慢。虽然 SiO2 PLC 光开关还在不断发展, 但受限于材料属性,很难满足未来对小型化光开关 芯片的需求。 1.2 III-V族材料 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料(如磷化铟(InP)基材料)也 是良好的集成光电子材料,可以用来实现具有纳秒 量级切换时间的电光开关[25-29]。Ⅲ-Ⅴ材料是直接 带隙材料,可以实现多种有源器件,如激光器、放大 器和探测器等,是良好的集成光子材料。采用Ⅲ-Ⅴ 族材料可以实现波长变换或补偿光传输过程中的损 耗,能给光开关芯片提供额外功能,而且Ⅲ-Ⅴ族材 料具有良好的线性电光效应,能实现高速的电光调 制,这意味着其可以实现纳秒量级以下的光交换。 但是,基于Ⅲ-Ⅴ族材料的光开关功耗都比较大,而 且Ⅲ-Ⅴ族工艺加工大于4寸的晶圆比较困难,不容 易实现大规模低成本集成。 基于III-V 族半导体光放大器(Semiconductor OpticalAmplifier,SOA)的光开关通常基于广播和 选择(Broadcast-and-Select,B&S)或者切换和选择 (Switch-and-Select,S&S)拓 扑 结 构[29-30]。 光 路 S&S部分可以通过级联 MZI实现。SOA 放置于 MZI之后用于提供增益或衰减。SOA 在关闭状态 下具有很大损耗,能吸收串扰光信号,提高光开关的 消光比;而它在开启状态下能提供增益,可用于补偿 分路/合路器以及无源波导的损耗。随着光开关阵 列规模增大,每条光路上分路/合路器的数量和无源 波导的总 长 度 不 断 增 加,这 就 需 要 更 大 增 益 量 的 SOA 来补偿增长的损耗。但是,这会引入放大器自 发 辐 射 噪 声 (Amplifier Spontaneous Emission noise,ASE),引起信号失真,并增加光开关功率预 算。如图1所示为一个基于 MZI-SOA 的2×2光 开关单元结构[28],MZI的两个输出都连接到 SOA, 信号输出端口 SOA 打开以补偿无源器件损耗,另 一个输出端口的 SOA 处于关闭状态以抑制串扰。 基于该 MZI光开关并采用扩展 Benes拓扑结构可 以进一步减少串扰[25]。图2所示为一个采用扩展 Benes结构的4×4光开关,它包括4个2×2扩展 Benes开关单元,每个单元由4个 MZI和8个SOA 构成。虽然该2×2开关单元具有4个输入和4个 输出,但外部输入和输出只用到了两个端口。MZI 两臂上 的 相 位 调 制 器 采 用 量 子 限 制 斯 塔 克 效 应 (Quantum-ConfinedStarkEffect,QCSE),与载流 子注入移相器相比,QCSE 移相器通过改变施加的 电压来实现开关切换,因而无静态功耗。 串扰 压缩 低损耗 偏置部分 MMI MMI 偏置部分 MZI 单元部分 短 SOA 部分 ON OFF 串扰 注：MMI 为多模干涉仪。 图1 基于 MZI-SOA 的2×2光开关单元[28] 11 周林杰 等: 集成光开关发展现状及关键技术
光通信研究 2019年第1期总第211期 MMI 相位调制器 SOA 0.07mm2,芯片带宽>38.5GHz,消光比高于 20dB;2016年他们又用MRR实现了1×8光开关, netl 通过光纤连接搭建了8×8无阻塞光交换[3;201 年他们通过软件定义的控制方式使用1×8微环光 e88。33 开关分别实现了波长选择性的单播与多播数据传 =a…34输[,以及基于空间和波长路由的超通道光交 图2采用扩展 Benes结构的4×4光开关[25 换 除了MZI结构之外,基于有源一无源集成的 IBM的研究团队也一直致力于开发基于MZI InP平台也可以采用微环谐振器( Microring Re 的电光开关[1工艺,实现基于IBM的90nm senator,MRR)来形成开关矩阵。由于单微环开CMOS工艺线。2×2MZI光开关采用推挽式驱 动,在O波段的45nm光学带宽内,插入损耗约为 关存在带宽和消光比之间的权衡,一般采用多个微 1dB,光学串扰<-23dB,单元响应时间为4ns,电 环级联来提高带宽和开关消光比。为了补偿损耗, 光移相器平均功耗为1mW。单片无阻塞4×4 在微环开关阵列前面或者后面可集成SOA。 MZ光开关也采用了同样的90nm工艺,将CMOS 令。由于InP基SOA可以用作波长变换器,利用它逻辑、开关驱动以及光器件都集成在了同一芯片 合AWG能实现波长路由光开关[。加州大上40。光开关片上插入损耗为1.5~3.0dB,串扰 学圣芭芭拉分校实现了8×8单片集成可调光路由<-23dB。CMOS开关和驱动均集成在了同一芯 器芯片,它包括了1个无源AWG和8个基于SOA片上,简化了组装并降低了系统成本。 的波长变换器。该开关的原理是利用波长变换将信 加州大学伯克利分校研究小组在硅基光开关的 号光波长转变为AWG路由波长,然后经过无源研究上另辟蹊径,提出了一种将硅基光电子技术和 AwG传输到特定端口。该开关芯片的尺寸为MEMS技术相结合的新型光开关,开关状态可以通 425mm×14.5mm,能对40Gbit/s数据进行路过MEMS操控波导的微小移动来实现。2015年他 由,每一路的功耗为2W 们报道了一种基于50×50交叉开关矩阵的光开 基于Ⅲ-材料的集成光子技术能有效地实现 关,在9mm×9mm的芯片上集成了2500个开 纳秒量级的开关芯片。由于IV材料可以实现增关单元。在每一个开关单元内都有一对单臂波导可 益能有效补偿无源损耗,因而开关阵列的总体插损移动的定向耦合器( Directional Coupler,DC),通过 可以做到很低。但由于1V材料加工工艺比较复MEMs技术控制DC两根波导的垂直距离来控制 杂昂贵,光开关成本较高,对于大规模集成多端口开光路,进而决定开关单元的状态。开关单元在状态 关芯片,成品率也是潜在问题, 切换时的电压为14V,消光比为26dB,开关时间为 1.3绝缘体上硅材料 2.5μs。器件的传输损耗主要来自于波导交叉,最 硅基光电子器件能采用CMOS兼容工艺制备,长路径的片上损耗为27.5dB。2016年他们又报道 具备能与微电子器件单片集成的潜力,保证了硅基了另外一种具有更高性能的64×64光开关,图3 光子器件具有相对低廉的价格和广阔的市场。如所示为采用MEMS驱动的硅基大规模光开关。开 今,硅基光子学已经成为集成光子学领域诸如高性关单元的响应时间为0.91gs,消光比超过了60dB 能计算、光通信(电信/数据)、光学传感器、片上光而整个芯片尺寸为8.6mm×8.6mm,在300mm带 互连、微波光子和激光雷达等领域的领先技术解决宽(1400~1700mm)范围的片上损耗仅为3.7dB 方案3。而近几年重要的硅光子学公司的收购事该开关的最大问题是驱动电压非常高,开启和关闭 件也表明了在未来几年商业化的良好前景。国内外对应的电压分别为42V和24V 均有许多研究团队着手开展关于硅基光开关器件及 日本先进工业科技研究所( The National insti 应用方面的研究,推动了集成光开关朝实用化方向 tute of advanced Industrial science and technolo 的发展 gy,AIST)实现了基于 PILOSS拓扑结构的8×8热 哥伦比亚大学一直致力于硅基微环光开关的研光光开关[7],共有64个开关单元和49个波导交叉 究和系统应用。2014年他们实现了一个基于硅基节点。开关单元基于热光效应,采用双臂集成了氮 MRR的4×4热光开关,该光开关尺寸为化钛(TN)的MZIl结构,器件的平均片上损耗为 12
输入 输出 1 2 3 4 1 2 3 4 MMI 相位调制器 SOA 图2 采用扩展 Benes结构的4×4光开关[25] 除了 MZI结构之 外,基 于 有 源 - 无 源 集 成 的 InP平台 也 可 以 采 用 微 环 谐 振 器 (Microring Resonator,MRR)来形成开关矩阵[31]。由于单微环开 关存在带宽和消光比之间的权衡,一般采用多个微 环级联来提高带宽和开关消光比。为了补偿损耗, 在微环开关阵列前面或者后面可集成SOA。 由于InP基SOA 可以用作波长变换器,利用它 再结合 AWG 能实现波长路由光开关[32]。加州大 学圣芭芭拉分校实现了8×8单片集成可调光路由 器芯片,它包括了1个无源 AWG 和8个基于 SOA 的波长变换器。该开关的原理是利用波长变换将信 号光波长 转 变 为 AWG 路 由 波 长,然 后 经 过 无 源 AWG 传 输 到 特 定 端 口。 该 开 关 芯 片 的 尺 寸 为 4.25mm×14.5 mm,能对 40Gbit/s数据进行路 由,每一路的功耗为2 W。 基于III-V 材料的集成光子技术能有效地实现 纳秒量级的开关芯片。由于III-V 材料可以实现增 益能有效补偿无源损耗,因而开关阵列的总体插损 可以做到很低。但由于III-V 材料加工工艺比较复 杂昂贵,光开关成本较高,对于大规模集成多端口开 关芯片,成品率也是潜在问题。 1.3 绝缘体上硅材料 硅基光电子器件能采用 CMOS兼容工艺制备, 具备能与微电子器件单片集成的潜力,保证了硅基 光子器件具有相对低廉的价格和广阔的市场。如 今,硅基光子学已经成为集成光子学领域诸如高性 能计算、光通信(电信∕数据)、光学传感器、片上光 互连、微波光子和激光雷达等领域的领先技术解决 方案[33-37]。而近几年重要的硅光子学公司的收购事 件也表明了在未来几年商业化的良好前景。国内外 均有许多研究团队着手开展关于硅基光开关器件及 应用方面的研究,推动了集成光开关朝实用化方向 的发展。 哥伦比亚大学一直致力于硅基微环光开关的研 究和系统应用。2014年他们实现了一个基于硅基 MRR 的 4×4 热 光 开 关[38],该 光 开 关 尺 寸 为 0.07mm2,芯 片 带 宽 >38.5 GHz,消 光 比 高 于 20dB;2016年他们又用 MRR实现了1×8光开关, 通过光纤连接搭建了8×8无阻塞光交换[39];2017 年他们通过软件定义的控制方式使用1×8 微环光 开关分别实现了波长选择性的单播与多播数据传 输[40],以 及 基 于 空 间 和 波 长 路 由 的 超 通 道 光 交 换[41]。 IBM 的研究团队也一直致力于开发基于 MZI 的 电 光 开 关[42] 工 艺,实 现 基 于 IBM 的 90 nm CMOS工 艺 线。2×2 MZI光 开 关 采 用 推 挽 式 驱 动,在 O 波段的45nm 光学带宽内,插入损耗约为 1dB,光学串扰<-23dB,单元响应时间为4ns,电 光移相器平均功耗为1 mW [43]。单片无阻塞4×4 MZI光开关也采用了同样的90nm 工艺,将 CMOS 逻辑、开关 驱 动 以 及 光 器 件 都 集 成 在 了 同 一 芯 片 上[44]。光开关片上插入损耗为1.5~3.0dB,串扰 <-23dB。CMOS开关和驱动均集成在了同一芯 片上,简化了组装并降低了系统成本。 加州大学伯克利分校研究小组在硅基光开关的 研究上另辟蹊径,提出了一种将硅基光电子技术和 MEMS技术相结合的新型光开关,开关状态可以通 过 MEMS操控波导的微小移动来实现。2015年他 们报道了 一 种 基 于 50×50 交 叉 开 关 矩 阵 的 光 开 关[45],在9mm ×9mm 的芯片上集成了2500个开 关单元。在每一个开关单元内都有一对单臂波导可 移动的定向耦合器(DirectionalCoupler,DC),通过 MEMS技术控制 DC 两根波导的垂直距离来控制 光路,进而决定开关单元的状态。开关单元在状态 切换时的电压为14V,消光比为26dB,开关时间为 2.5μs。器件的传输损耗主要来自于波导交叉,最 长路径的片上损耗为27.5dB。2016年他们又报道 了另外一种具有更高性能的64×64光开关[46],图3 所示为采用 MEMS驱动的硅基大规模光开关。开 关单元的响应时间为0.91μs,消光比超过了60dB; 而整个芯片尺寸为8.6mm×8.6mm,在300nm带 宽(1400~1700nm)范围的片上损耗仅为3.7dB。 该开关的最大问题是驱动电压非常高,开启和关闭 对应的电压分别为42V 和24V。 日本先进工业科技研究所(TheNationalInstituteofAdvancedIndustrialScienceandTechnology,AIST)实现了基于 PILOSS拓扑结构的8×8热 光光开关[47],共有64个开关单元和49个波导交叉 节点。开关单元基于热光效应,采用双臂集成了氮 化钛(TiN)的 MZI结构,器件的平均 片 上 损 耗 为 12 光通信研究 2019年 第1期 总第211期
周林杰等:集成光开关发展现状及关键技术 低串扰交又MEMS驱动 有优缺点,需要考虑实际应用场合来做选择[5661 绝热耦合器 以MMI为基础的广义马赫一曾德尔干涉仪 ( General mach-Zehnder interferon 结 构可以用于构建大规模光开关。N× N GMZI结构 总线波导 通常由两个N×N耦合器通过中间N条波导连接 (a) 构成。2×2MZI是最简单的GMZI结构。GMZI可 输入端 输入端 以用于实现1×N、N×N光开关。相比于2×2 绝热 MZI通过不同拓扑结构级联实现N×N光开关阵 耦合器 垂直间隙 直通端 列芯片,基于GMZI结构的光开关具有结构简单和 下载端 尺寸较小的优点。对于由两个N×NMMI级联构 直通状态 交又状态 成的 NXN GMZI光开关,一共只有N种不同的开 (c) 关状态。因此,单个N× N GMZI光开关都是阻塞 图3采用MEMS驱动的硅基大规模光开关[46 型光开关。通过几个N× N GMZI以一定的方式级 6.5dB,在以1550nm波长为中心的7.5nm带宽联就可以实现无阻塞开关。该结构的优点是结构简 范围串扰均<一20dB,并成功传输了43Gbit/s的单、开关单元数目少和不需要波导交叉结。一种对 正交相移键控( Quadrature Phase Shift Keying,称型4×4无阻塞光开关结构可以由1个4×4GM QPSK)信号。随后利用同样的拓扑结构和优化的Z1光开关在输入和输出端再各级联两个2×2MZI MZI单元结构又设计了32×32的光开关芯片,光开关单元构成。实现上述4×4无阻塞开关只 芯片大小为11mm×25mm,共有1024个开关单需要4个有源的开关单元。4×4无阻塞光开关中 元和961个交叉节点。为了保持工艺的均衡性,芯每条开关路径都通过两个4X4MMI耦合器和4个 片的制作采用先进的氟化氩(ArF)沉浸式光刻,同2×2MMI耦合器,因此插入损耗与路径无关。另 时芯片通过倒装焊的方式进行封装。器件的平均片外一种拓展结构是在4×4GMZI之后顺序级联1 上损耗为15.8dB,在以1545mm波长为中心的个3×3GMZ和1个2×2GMZI构成一个插损与 1.8nm带宽范围内串扰均<一20dB,平均功耗为路径有关的非对称结构。 2.93W,开关时间<30s。 虽然 Benes拓扑结构不是严格无阻塞,但Ben 中科院半导体研究所近年来也致力于大规模光cs是实现无阻塞交换所需开关单元最少的拓扑结 开关的研究,在2015年报道了基于MZI单元结构构。开关单元少意味着较小的片上插入损耗、较小 的8×8电光开关,开关单元集成了一对PIN结,的芯片尺寸以及较少的驱动电极。实现16×16无 开关时间为1ns。器件采用 Benes的拓扑结构,在阻塞光开关一共需要7级开关,每一级上都有8个 全直通状态下的消光比为13.3~19.0dB。在2×2开关单元,因此,一共需要56个2×2开关单 016年报道了同样基于MZ的16×16电光开元来实现16×16无阻塞开关阵列,图4所示为16 关5,并对MZI单元结构采用push-pull电压驱16MzI电光开关整体及单元结构示意图。2×2 动方式来降低驱动电压,借此来降低串扰使得开关MZI开关单元由两个2×2MMI耦合器和两个等 性能得到提高。器件采用180nm的CMOS工艺,长的波导臂构成。上臂集成了PIN二极管,用于实 尺寸为8.35mm×2.46mm,光开关的消光比为现开关状态的高速调节,同时两个臂上还分别集成 17.9dB。之后他们将电光开关芯片扩展到了32×TiN热电阻,用于补偿工艺误差导致的初始相位 32规模。为了方便找到开关状态并测试,分别在偏差。开关单元前后光路中都通过DC分出一小部 第5级和第6级增加了功率检测点。开关的串扰为分光(分光损耗为0.4dB),用于监控每一个开关单 24.8dB,片上插入损耗为12.9~元的状态。在全交又状态,片上平均插入损耗为 18.5dB。光开关在片上光网络路由方面也有较大进6.7dB,所有16个输出端口的串扰都<-30dB,在 展,利用微环和MZI结构实现了多种片上光路由芯30mm波长范围内,串扰也都<-20dB。在全直通 片[253。 状态下,由于自由载流子吸收引入了额外的损耗,平 我们课题组在硅基光开关单元和集成芯片方面均片上插入损耗相比于全交叉状态增加到了 也做了大量研究,采用了多种不同设计方案,它们各13.9 dB. Mzi开关动态路由响应测试表明光路切
MEMS 驱动 绝热耦合器 总线波导 输入端 下载端 直通端 低串扰交叉 （a） （b） 输入端 垂直间隙 直通端 直通状态 输入端 绝热 耦合器 下载端 交叉状态 （c） （d） 图3 采用 MEMS驱动的硅基大规模光开关[46] 6.5dB,在以1550nm 波长为中心的7.5nm 带宽 范围串扰均<-20dB,并成功传输了43Gbit/s的 正交 相 移 键 控 (QuadraturePhaseShift Keying, QPSK)信号。随后利用同样的拓扑结构和优化的 MZI单元结构又设计了32×32的光开关芯片[48], 芯片大小为11mm×25mm,共有1024个开关单 元和961个交叉节点。为了保持工艺的均衡性,芯 片的制作采用先进的氟化氩(ArF)沉浸式光刻,同 时芯片通过倒装焊的方式进行封装。器件的平均片 上损耗为 15.8dB,在以 1545nm 波长为中心的 1.8nm带宽范围内串扰均< -20dB,平均功耗为 2.93 W,开关时间<30μs。 中科院半导体研究所近年来也致力于大规模光 开关的研究,在2015年报道了基于 MZI单元结构 的8×8电光开关[49],开关单元集成了一对 PIN 结, 开关时间为1ns。器件采用 Benes的拓扑结构,在 全直通 状 态 下 的 消 光 比 为 13.3 ~ 19.0dB。在 2016年报 道 了 同 样 基 于 MZI的 16×16 电 光 开 关[50],并对 MZI单元结构采用 push-pull的电压驱 动方式来降低驱动电压,借此来降低串扰使得开关 性能得到提高。器件采用180nm 的 CMOS工艺, 尺寸为8.35 mm×2.46 mm,光开关的消光比为 17.9dB。之后他们将电光开关芯片扩展到了32× 32规模[51]。为了方便找到开关状态并测试,分别在 第5级和第6级增加了功率检测点。开关的串扰为 -15.1 ~ -24.8dB,片 上 插 入 损 耗 为 12.9~ 18.5dB。光开关在片上光网络路由方面也有较大进 展,利用微环和 MZI结构实现了多种片上光路由芯 片[52-55]。 我们课题组在硅基光开关单元和集成芯片方面 也做了大量研究,采用了多种不同设计方案,它们各 有优缺点,需要考虑实际应用场合来做选择[56-65]。 以 MMI为基 础 的 广 义 马 赫 - 曾 德 尔 干 涉 仪 (GeneralMach-ZehnderInterferometer,GMZI)结 构可以用于构建大规模光开关。N ×N GMZI结构 通常由两个 N ×N 耦合器通过中间N 条波导连接 构成。2×2MZI是最简单的GMZI结构。GMZI可 以用于实现1×N、N ×N 光开关。 相比于2×2 MZI通过不同拓扑结构级联实现 N ×N 光开关阵 列芯片,基于 GMZI结构的光开关具有结构简单和 尺寸较小的优点。对于由两个 N ×N MMI级联构 成的N×N GMZI光开关,一共只有N 种不同的开 关状态。因此,单个 N ×N GMZI光开关都是阻塞 型光开关。通过几个N×NGMZI以一定的方式级 联就可以实现无阻塞开关。该结构的优点是结构简 单、开关单元数目少和不需要波导交叉结。一种对 称型4×4无阻塞光开关结构可以由1个4×4GMZI光开关在输入和输出端再各级联两个2×2 MZI 光开关单元构成[64]。实现上述4×4无阻塞开关只 需要4个有源的开关单元。4×4无阻塞光开关中 每条开关路径都通过两个4×4MMI耦合器和4个 2×2MMI耦合器,因此插入损耗与路径无关。另 外一种拓展结构是在4×4GMZI之后顺序级联 1 个3×3GMZI和1个2×2GMZI构成一个插损与 路径有关的非对称结构[60]。 虽然 Benes拓扑结构不是严格无阻塞,但 Benes是实现无阻塞交换所需开关单元最少的拓扑结 构。开关单元少意味着较小的片上插入损耗、较小 的芯片尺寸以及较少的驱动电极。实现16×16无 阻塞光开关一共需要7级开关,每一级上都有8个 2×2开关单元,因此,一共需要56个2×2 开关单 元来实现16×16无阻塞开关阵列,图4所示为16× 16MZI电光开关整体及单元结构示意图[59]。2×2 MZI开关单元由两个2×2 MMI耦合器和两个等 长的波导臂构成。上臂集成了 PIN 二极管,用于实 现开关状态的高速调节,同时两个臂上还分别集成 了 TiN 热电阻,用于补偿工艺误差导致的初始相位 偏差。开关单元前后光路中都通过 DC分出一小部 分光(分光损耗为0.4dB),用于监控每一个开关单 元的状 态。在 全 交 叉 状 态,片 上 平 均 插 入 损 耗 为 6.7dB,所有16个输出端口的串扰都<-30dB,在 30nm 波长范围内,串扰也都<-20dB。在全直通 状态下,由于自由载流子吸收引入了额外的损耗,平 均 片 上 插 入 损 耗 相 比 于 全 交 叉 状 态 增 加 到 了 13.9dB。MZI开关动态路由响应测试表明光路切 13 周林杰 等: 集成光开关发展现状及关键技术
光通信研究 2019年第1期总第211期 换时间可以达到纳秒量级 自于波导侧壁粗糙度引入的散射损耗。使用多模宽 波导可以减小波导侧壁处的模场强度,从而减小散 射损耗。采用这种方法在没有经过后端工艺的无源 器件上可以实现非常低的损耗,但经过后端工艺(包 括离子注入掺杂、探测器制作和金属化工艺等)会增 加波导额外损耗[。此外,采用超薄60nm厚度硅 波导,可以将损耗降低至0.6dB/cm,与常规硅波导 声3 相比提高了5倍2。浅刻蚀脊型硅波导由于其光 学模式和侧壁交叠较少,因而具有较低的传输损耗。 横截面为0.25pm(高度)×2m(宽度)和0.05pm 蚀刻深度的硅波导在C波段中具有0.27dB/cm的 传输损耗[]。 开关单元 2.1.2光开关单元 (1)MZI结构 MM 输出 MZI是一种广泛应用于硅基光电子芯片的单 元结构,也是一种常见的光开关单元结构553.61。 绝热深刻蚀 用于光开关基本单元的MZI通常为2×2的4端口 图416×16MZI电光开关整体及单元结构示意图 IZI。如图5和6所示,2×2MZI结构由3个部分 硅基高速光开关采用载流子注入技术,但载流组成,分别为位于左右两侧的两个3dB耦合器和位 子注入后也伴随产生热光效应。为了减小热光效应于中间的两段长直波导(相位调制臂)。3B耦合 影响MZ光开关可以采取同步驱动方案,即当载器可以是2×2MMI,也可以是DC。相对于DC 流子注入到MZ的一个臂的同时将调制电压施加MM具有高带宽和工艺容差大等优点,因此MzI 到另一个臂上的热光移相器,以此抵消热光效应的更多地采用MMI结构作为3dB耦合器 影响[6 开关单元中如采用双微环辅助MZI电光开关 MMI 输出 来替代MZⅠI电光开关,可以大幅减小开关调节功 耗[。由于微环是谐振结构,对环境温度变化很敏图5以MMI为3dB耦合器的MZI结构示意图 感,因此在实际应用中可以采用片上光功率监控,通 过控制电路来跟踪和锁定微环的谐振波长[676 输入 输出 除了学术界,企业界也积极开展硅基光开关研 究。华为公司在2016年报道了32×32光开关[0 拓扑结构采用扩展 Benes结构。由于常规 Ben结图6以DC为3dB耦合器的MZl结构示意图 构不可避免会产生一级串扰,因此他们在 Benes结 在理想情况下,因为光场在MZI两臂中经过的 构的基础上增加更多的开关单元来消除一级串扰,路径相同,在直波导中传播而引入的相位变化相同 从而降低开关整体串扰值。该芯片共有48个2×则上下两臂之间的相位差为0。当两臂之间相位差 2热光MZI单元,在每个单元上都增加了监控光电为0时,MZI开关单元的工作状态为交叉状态,光 二极管来确定单元的状态 的路由路径为I1-O2和I2-O1。若通过移相器来 改变两臂之间的相位差使其为π,则MZI开关单元 2硅基光开关关键技术 的工作状态从交叉状态切换为直通状态。在直通状 2.1基本元件 态下,光的路由路径为I1-O1和I2-O2。 2.1.1硅波子 对于2×2MZI开关单元,如果3dB耦合器不 大规模光开关包含了大量比较长的连接波导,能很好地实现均匀分光,则会导致在两输出端口产 为了减小开关插入损耗,首先需要减小波导的传输生较大的串扰。此外,上下两臂之间损耗的不均匀 损耗。硅波导由于其高折射率对比度,损耗主要来性也会导致串扰增加。上下两臂之间损耗的不均匀
换时间可以达到纳秒量级。 I1 O1 I10 O10 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I11 I12 I13 I14 I15 I16 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 O9 O11 O12 O13 O14 O15 O16 输 入 I ~1 I6 输 出 O ~1 O16 抽头 I1 I2 O1 O2 MMI p+ n+ 输入 MMI 输出 MZI 开关单元 绝热深刻蚀 图4 16×16MZI电光开关整体及单元结构示意图 硅基高速光开关采用载流子注入技术,但载流 子注入后也伴随产生热光效应。为了减小热光效应 影响,MZI光开关可以采取同步驱动方案,即当载 流子注入到 MZI的一个臂的同时将调制电压施加 到另一个臂上的热光移相器,以此抵消热光效应的 影响[66]。 开关单元中如采用双微环辅助 MZI电光开关 来替代 MZI电光开关,可以大幅减小开关调节功 耗[56]。由于微环是谐振结构,对环境温度变化很敏 感,因此在实际应用中可以采用片上光功率监控,通 过控制电路来跟踪和锁定微环的谐振波长[67-69]。 除了学术界,企业界也积极开展硅基光开关研 究。华为公司在2016年报道了32×32光开关[70], 拓扑结构采用扩展 Benes结构。由于常规 Benes结 构不可避免会产生一级串扰,因此他们在 Benes结 构的基础上增加更多的开关单元来消除一级串扰, 从而降低开关整体串扰值。该芯片共有448个2× 2 热光 MZI单元,在每个单元上都增加了监控光电 二极管来确定单元的状态。 2 硅基光开关关键技术 2.1 基本元件 2.1.1 硅波导 大规模光开关包含了大量比较长的连接波导, 为了减小开关插入损耗,首先需要减小波导的传输 损耗。硅波导由于其高折射率对比度,损耗主要来 自于波导侧壁粗糙度引入的散射损耗。使用多模宽 波导可以减小波导侧壁处的模场强度,从而减小散 射损耗。采用这种方法在没有经过后端工艺的无源 器件上可以实现非常低的损耗,但经过后端工艺(包 括离子注入掺杂、探测器制作和金属化工艺等)会增 加波导额外损耗[71]。此外,采用超薄60nm 厚度硅 波导,可以将损耗降低至0.6dB/cm,与常规硅波导 相比提高了5倍[72]。浅刻蚀脊型硅波导由于其光 学模式和侧壁交叠较少,因而具有较低的传输损耗。 横截面为0.25μm(高度)×2μm(宽度)和0.05μm 蚀刻深度的硅波导在 C 波段中具有0.27dB/cm的 传输损耗[73]。 2.1.2 光开关单元 (1)MZI结构 MZI是一种广泛应用于硅基光电子芯片的单 元结构,也是一种常见的光开关单元结构[58-59,62]。 用于光开关基本单元的 MZI通常为2×2的4端口 MZI。如图5和6所示,2×2 MZI结构由3个部分 组成,分别为位于左右两侧的两个3dB耦合器和位 于中间的两段长直波导(相位调制臂)。3dB 耦合 器可以是 2×2 MMI,也可以是 DC。相对于 DC, MMI具有高带宽和工艺容差大等优点,因此 MZI 更多地采用 MMI结构作为3dB耦合器。 MMI I1 I2 O1 O2 输入 MMI 输出 图5 以 MMI为3dB耦合器的 MZI结构示意图 I1 I2 O1 O2 DC DC 输入 输出 图6 以 DC为3dB耦合器的 MZI结构示意图 在理想情况下,因为光场在 MZI两臂中经过的 路径相同,在直波导中传播而引入的相位变化相同, 则上下两臂之间的相位差为0。当两臂之间相位差 为0时,MZI开关单元的工作状态为交叉状态,光 的路由路径为I1-O2 和I2-O1。若通过移相器来 改变两臂之间的相位差使其为 π,则 MZI开关单元 的工作状态从交叉状态切换为直通状态。在直通状 态下,光的路由路径为I1-O1 和I2-O2。 对于2×2 MZI开关单元,如果3dB耦合器不 能很好地实现均匀分光,则会导致在两输出端口产 生较大的串扰。此外,上下两臂之间损耗的不均匀 性也会导致串扰增加。上下两臂之间损耗的不均匀 14 光通信研究 2019年 第1期 总第211期
周林杰等:集成光开关发展现状及关键技术 性主要来源于两个方面:一个是器件加工工艺本身的一条波导臂上的电光移相器用另一个推挽式驱动 可能会导致两臂有差异;另一个是单臂电光调制的的MZI移相器来代替。为了在一条干涉臂上产生 MzⅠ其调制臂会有自由载流子吸收损耗。MZI开所需的π相位以此改变光开关状态,MZl移相器需 关单元的优点在于其频谱响应较宽,缺点在于调制要工作在最大传输功率点,它的两个臂上相位分别 臂较长,通常需要数百微米以获得π相移 从0~π以及π~0变化。在这种工作模式下,MZI (2)波长不敏感MZI结构 移相器的输出端能产生精确的π相移,而且0和π 降低3dB耦合器的波长灵敏度可以进一步提相移状态下损耗相同。通过调节MZI光开关下臂 高MZI光开关的光学带宽。这可以通过减小DC的衰减器,可以使开关两臂具有相同的光功率,达到 中波导间距来实现,然而波导间距减小则要求更精完全平衡干涉,因而能大幅度抑制功率不均衡所引 确的制备工艺。采用MMI来替代DC也可以减小起的串扰 波长灵敏度,但是MMI中波导与多模干涉区域的 过渡无法避免会引起额外损耗, 图7所示为一种波长不敏感的MZI光开关结 构,它的3dB耦合器由具有中间相位延迟的两段式2 衰减器 DC构成[。两段式耦合器实质上就是一个小型 注:PD为光电二极管 MZI结构,包括一个功率耦合系数为k1的输入DC, 图8单臂嵌套型MZI光开关结构示意图1 两个相位差为cp的干涉臂以及1个功率耦合系数 (4)双臂平衡嵌套型MZⅠ结构 为κ2的输出DC。该两段式DC结构可以采用对称 上述单臂嵌套MZI光开关可进一步拓展为双 式设计,让前后耦合器耦合系数相同,即k1=k2 臂平衡嵌套型MZI光开关,如图9所示。该光开关 0.5,同时两个臂的光程差为1/4波长。与使用不同包括1个输入2×2耦合器,1个输出2×2耦合器 合系数的不对称设计相比,这种对称性设计具有以及两个由2×2MzI嵌套构成的干涉臂。每个嵌 更高的工艺容差[1 套的MZI具有两个相同的载流子注入移相器。该 光开关具有平衡结构,其中两个主干涉臂的光程等 PN二极管移相器宽带50%锅合器 △d(N),a(N 长,可以实现宽带光交换 嵌套MZIA 输出端 宽带50%耦合器 DC 图7波长不敏感MZI光开关结构示意图 移相器2 输 (3)单臂嵌套型MZI结构 移相器3 硅材料中的自由载流子色散( Free Carrier Dis- 移相器4 persion,FCD)效应通常用于实现高速、低功耗和小 一嵌套MZB 型化电光移相器。对于光开关应用,移相器的结构图9双臂平衡嵌套型MZI光开关结构示意图 通常是基于载流子注入的PIN二极管。这种移相 当移相器1和4相位为0而移相器2和3相位 器虽然相位调节效率非常高,但由于自由载流子吸为x时,嵌套的MZIA将来自端口b的光信号传输 收( Free Carrier Absorption,FCA)效应,载流子注到端口d,相位增量为π,而嵌套的MZIB将来自端 入后会增加光学损耗。对于2×2MZ光开关,PN口a的光信号传输到端口c,相位增量也为。因 二极管打开后的直通状态下光学损耗问题比较严此,此光开关工作在交叉状态。由于平衡相位调节 重,因为FCA引起的损耗使得MzI两臂之间出现下两个嵌套的MZI插入损耗相等,因此光开关两干 了功率不平衡,导致光泄漏到交叉端同时还增加了涉臂具有相等光功率,实现了平衡干涉,在直通端口 光开关的插入损耗。采用推挽式驱动可以减小处无串扰 FCA的影响,但能获得的最佳串扰值有限。 在开关另一个工作状态下,移相器1和3相位 采用嵌套型MZI结构可以改善FCA带来的两为π,而移相器2和4相位为0,此时嵌套的MZIA 臂功率不均衡问题,单臂嵌套型MZI光开光结构如将光信号从端口b传输到端口d,相位增量为0,而 图8所示。该结构实际上就是将MZI开关单元嵌套的MZIB将光信号从端口a传输到c,相位增 15
性主要来源于两个方面:一个是器件加工工艺本身 可能会导致两臂有差异;另一个是单臂电光调制的 MZI其调制臂会有自由载流子吸收损耗。MZI开 关单元的优点在于其频谱响应较宽,缺点在于调制 臂较长,通常需要数百微米以获得π相移。 (2)波长不敏感 MZI结构 降低3dB耦合器的波长灵敏度可以进一步提 高 MZI光开关的光学带宽。这可以通过减小 DC 中波导间距来实现,然而波导间距减小则要求更精 确的制备工艺。采用 MMI来替代 DC 也可以减小 波长灵敏度,但是 MMI中波导与多模干涉区域的 过渡无法避免会引起额外损耗。 图7所示为一种波长不敏感的 MZI光开关结 构,它的3dB耦合器由具有中间相位延迟的两段式 DC构成[74]。两段式耦合器实质上就是 一 个 小 型 MZI结构,包括一个功率耦合系数为κ1 的输入 DC, 两个相位差为δφ 的干涉臂以及1个功率耦合系数 为κ2 的输出 DC。该两段式 DC结构可以采用对称 式设计,让前后耦合器耦合系数相同,即κ1 =κ2 = 0.5,同时两个臂的光程差为1/4波长。与使用不同 耦合系数的不对称设计相比,这种对称性设计具有 更高的工艺容差[43]。 a1 a2 b1 b2 k1 k2 k2 k1 啄渍 啄渍 驻准（N），琢（N） PIN 二极管移相器 宽带 50%耦合器 宽带 50%耦合器 图7 波长不敏感 MZI光开关结构示意图[74] (3)单臂嵌套型 MZI结构 硅材料中的自由载流子色散(FreeCarrierDispersion,FCD)效应通常用于实现高速、低功耗和小 型化电光移相器。对于光开关应用,移相器的结构 通常是基于载流子注入的 PIN 二极管。这种移相 器虽然相位调节效率非常高,但由于自由载流子吸 收(FreeCarrierAbsorption,FCA)效应,载流子注 入后会增加光学损耗。对于2×2MZI光开关,PIN 二极管打开后的直通状态下光学损耗问题比较严 重,因为 FCA 引起的损耗使得 MZI两臂之间出现 了功率不平衡,导致光泄漏到交叉端,同时还增加了 光开 关 的 插 入 损 耗。采 用 推 挽 式 驱 动 可 以 减 小 FCA 的影响,但能获得的最佳串扰值有限[43]。 采用嵌套型 MZI结构可以改善 FCA 带来的两 臂功率不均衡问题,单臂嵌套型 MZI光开光结构如 图8所示[75]。该结构实际上就是将 MZI开关单元 的一条波导臂上的电光移相器用另一个推挽式驱动 的 MZI移相器来代替。为了在一条干涉臂上产生 所需的π相位以此改变光开关状态,MZI移相器需 要工作在最大传输功率点,它的两个臂上相位分别 从0~π以及 π~0变化。在这种工作模式下,MZI 移相器的输出端能产生精确的 π相移,而且0和 π 相移状态下损耗相同。通过调节 MZI光开关下臂 的衰减器,可以使开关两臂具有相同的光功率,达到 完全平衡干涉,因而能大幅度抑制功率不均衡所引 起的串扰。 准=0|仔 准=仔|0 衰减器 1 2 PD 1 2 注：PD 为光电二极管。 图8 单臂嵌套型 MZI光开关结构示意图[76] (4)双臂平衡嵌套型 MZI结构 上述单臂嵌套 MZI光开关可进一步拓展为双 臂平衡嵌套型 MZI光开关,如图9所示。该光开关 包括1个输入2×2耦合器,1个输出2×2耦合器 以及两个由2×2MZI嵌套构成的干涉臂。每个嵌 套的 MZI具有两个相同的载流子注入移相器。该 光开关具有平衡结构,其中两个主干涉臂的光程等 长,可以实现宽带光交换。 1 2 1 2 移相器 1 移相器 2 移相器 3 移相器 4 a b c d a′ b′ c′ d′ 输入端 DC 嵌套 MZI A 输出端 DC 嵌套 MZI B 输 入 输 出 图9 双臂平衡嵌套型 MZI光开关结构示意图 当移相器1和4相位为0而移相器2和3相位 为π时,嵌套的 MZIA 将来自端口b的光信号传输 到端口d,相位增量为π,而嵌套的 MZIB将来自端 口a'的光信号传输到端口c',相位增量也为 π。因 此,此光开关工作在交叉状态。由于平衡相位调节 下两个嵌套的 MZI插入损耗相等,因此光开关两干 涉臂具有相等光功率,实现了平衡干涉,在直通端口 处无串扰。 在开关另一个工作状态下,移相器1和3相位 为π,而移相器2和4相位为0,此时嵌套的 MZIA 将光信号从端口b传输到端口d,相位增量为0,而 嵌套的 MZIB将光信号从端口a'传输到c',相位增 15 周林杰 等: 集成光开关发展现状及关键技术
光通信研究 2019年第1期总第211期 量为x。因此光开关工作状态为直通状态。两个嵌 在这两个非对称MZI开关单元中,OFF状态 套的MZI插入损耗在这种相位调节下也是相等的,下泄漏到交叉端口的光是串扰的主要来源。ON状 因此该状态下光开关理论上也无串扰。 态下泄漏到直通端口的光最终传输到矩阵开关的空 (5)可调分光MZI结构 闲口,不会增加开关输出端的串扰;但是在OFF状 对于MZI光开关,如果前后两个耦合器具有相态下泄漏到交叉端口的光最终传输到了矩阵开关的 等的分光比,两个臂的相位差为π的话,光能完全传输出口。在级联MZI光开关结构中,来自MZIA 输到直通端,交叉端理论上无任何串扰;而如果两个的泄漏光被MZIB所阻挡,因此在OFF状态下串 臂的相位差为0的话,光是否能完全传输到交叉端扰光功率大大降低了。因此,这种光开关的消光比 取决于两个耦合器的分光比,只有在严格3dB耦合远高于普通单个光开关 比下,才能获得完全传输,直通端无串扰。这在实际 (7)MRR结构 情况下很难满足,而且工艺容错性也较低。 MRR结构在集成光子器件中有广泛的应 通过采用可调分光MZI结构可以在两种状态用,。图12(a)所示为常见的与两条波导耦合 下都获得极小的光串扰,如图10所示[。该结构的MRR结构,它的特点是输入光、透射光和反射光 与传统的2×2MZI光开关相同,只是前面的3 端口没有重叠因而便于控制光的传输。相对于 耦合器被另一个MZI所取代。增加的MZI用作可MZ1开关,MRR结构简单紧凑,因而可构建更小尺 调分光器,其分光比可以根据后面3dB耦合器的实寸的开关矩阵芯片。 际分光比做相应调节,以获得最大开关消光比。这 MRR开关因其谐振特性而具有波长选择性 种结构可以减小串扰,但增加了可调元件数目和光单个MRR的谐振谱线呈洛伦兹曲线,也因此导致 路损耗。 工作带宽较低。MRR开关所需的相移量比MZI更 可调分光器 小,因此功耗更低。MRR工作原理如图12(b)所 移相器2 直通端示,初始状态下,如果光波长处于谐振波长λ上,从 输出 l1端口输入的光会从O1端口输出。如果对MRR 交叉端 输出 调相改变其折射率使得谐振波长蓝移,则λ。波长的 输入光会从I1端口传输到O2端口。通过这种方式 就实现了输入光在两个输出端口之间的切换。为了 图10可调分光MZI结构示意图[1 增加工作带宽,可以采用级联MRR,让每个微环的 (6)级联MZI结构 谐振波长对准同一波长,开关状态切换时让它们 级联MZ光开关单元由两个具有半波长长度起调谐。 差的非对称MZI以及1个交叉点构成,如图11所 。该光开关单元适用于基于交叉矩阵拓扑结输入 输出 输出 构的光开关中。MZI两臂的初始相位差为x,因此 端O 输出 端O 空闲端 空闲端 (a)结构示意图 (b)工作原理图 MZI A 图12MRR光开关 图11级联MZl光开关单元结构示意图 (8)双微环辅助MZI结构 开关单元初始状态为直通状态(OFF状态);当MZI 双微环辅助马赫一曾德尔(Dual- ring assiste 上的移相器提供π相移时,光开关处于交又状态MZI, DR-MZI光开关结构结合了MRR和MZ1的 (ON状态)。在OFF状态下,输入端口1连通到输特点,能在较小尺寸上实现低功耗、低串扰和高消光 出端口2,输入端口2连通到输出端口1;在ON状比光交换【5,,。2×2DRMZ结构如图13(a) 态下,输人端口1连通到空闲端口(在交叉矩阵开关所示,在一个较短MZI的两个臂上分别耦合有一个 中没有用到该路径),输入端口2通过两个级联的MRR MZI连通到输出端口2′ 传统MZI光开关单元为了在调制臂上引入π
量为π。因此光开关工作状态为直通状态。两个嵌 套的 MZI插入损耗在这种相位调节下也是相等的, 因此该状态下光开关理论上也无串扰。 (5)可调分光 MZI结构 对于 MZI光开关,如果前后两个耦合器具有相 等的分光比,两个臂的相位差为π的话,光能完全传 输到直通端,交叉端理论上无任何串扰;而如果两个 臂的相位差为0的话,光是否能完全传输到交叉端 取决于两个耦合器的分光比,只有在严格3dB耦合 比下,才能获得完全传输,直通端无串扰。这在实际 情况下很难满足,而且工艺容错性也较低。 通过采用可调分光 MZI结构可以在两种状态 下都获得极小的光串扰,如图10所示[76]。该结构 与传统的2×2 MZI光开关相同,只是前面的3dB 耦合器被另一个 MZI所取代。增加的 MZI用作可 调分光器,其分光比可以根据后面3dB耦合器的实 际分光比做相应调节,以获得最大开关消光比。这 种结构可以减小串扰,但增加了可调元件数目和光 路损耗。 输入 1 2 直通端 输出 交叉端 输出 DC 可调分光器 移相器 1 DC DC 移相器 2 1′ 2′ 互补分光比 图10 可调分光 MZI结构示意图[76] (6)级联 MZI结构 级联 MZI光开关单元由两个具有半波长长度 差的非对称 MZI以及1个交叉点构成,如图11所 示[77-78]。该光开关单元适用于基于交叉矩阵拓扑结 构的光开关中。MZI两臂的初始相位差为 π,因此 空闲端 空闲端 1′ 2′ 1 2 MZI A 交叉端 MZI B 图11 级联 MZI光开关单元结构示意图[78] 开关单元初始状态为直通状态(OFF状态);当 MZI 上的移相器提供 π 相移时,光开关处 于 交 叉 状 态 (ON 状态)。在 OFF状态下,输入端口1连通到输 出端口2′,输入端口2连通到输出端口1′;在 ON 状 态下,输入端口1连通到空闲端口(在交叉矩阵开关 中没有用到该路径),输入端口2通过两个级联的 MZI连通到输出端口2′。 在这两个非对称 MZI开关单元中,OFF 状态 下泄漏到交叉端口的光是串扰的主要来源。ON 状 态下泄漏到直通端口的光最终传输到矩阵开关的空 闲口,不会增加开关输出端的串扰;但是在 OFF 状 态下泄漏到交叉端口的光最终传输到了矩阵开关的 输出口。在级联 MZI光开关结构中,来自 MZIA 的泄漏光被 MZIB 所阻挡,因此在 OFF 状态下串 扰光功率大大降低了。因此,这种光开关的消光比 远高于普通单个光开关。 (7)MRR结构 MRR 结 构 在 集 成 光 子 器 件 中 有 广 泛 的 应 用[61,79-81]。图12(a)所示为常见的与两条波导耦合 的 MRR结构,它的特点是输入光、透射光和反射光 端口 没 有 重 叠 因 而 便 于 控 制 光 的 传 输。相 对 于 MZI开关,MRR 结构简单紧凑,因而可构建更小尺 寸的开关矩阵芯片。 MRR开关因其谐振特性而具有波长选择性, 单个 MRR 的谐振谱线呈洛伦兹曲线,也因此导致 工作带宽较低。MRR开关所需的相移量比 MZI更 小,因此功耗更低。MRR 工作原理如图 12(b)所 示,初始状态下,如果光波长处于谐振波长λp 上,从 I1 端口输入的光会从 O1 端口输出。如果对 MRR 调相改变其折射率使得谐振波长蓝移,则λp 波长的 输入光会从I1 端口传输到 O2 端口。通过这种方式 就实现了输入光在两个输出端口之间的切换。为了 增加工作带宽,可以采用级联 MRR,让每个微环的 谐振波长对准同一波长,开关状态切换时让它们一 起调谐。 -驻n 输入 端 I1 输出 端 O2 输出 端 O1 （a） 结构示意图 （b） 工作原理图 1 0 传 输 波长 驻n 输出 端 O2 输出 端 O1 姿p 图12 MRR光开关 (8)双微环辅助 MZI结构 双微环辅助马赫-曾德尔 (Dual-ringassisted MZI,DR-MZI)光开关结构结合了 MRR和 MZI的 特点,能在较小尺寸上实现低功耗、低串扰和高消光 比光交换[56,63,65]。2×2DR-MZI结构如图13(a) 所示,在一个较短 MZI的两个臂上分别耦合有一个 MRR。 传统 MZI光开关单元为了在调制臂上引入 π 16 光通信研究 2019年 第1期 总第211期
周林杰等:集成光开关发展现状及关键技术 相移来实现开关状态的切换,需要数百微米长的臂2.1.3移相景 长,导致开关单元的尺寸不够紧凑且所需功耗较高 光开关对输入光信号进行路由,这个过程需要 为了减少调制所需的相移量从而减少功耗,可以采通过移相器调节相位来完成。硅波导移相器根据其 用慢光结构来替代MZI中较长的调制臂。波导中工作原理主要分为基于热光效应的热光移相器和基 的相移与其群折射率直接相关。因此,如果慢光结于等离子体色散效应的电光移相器两种 构能引入较大的群折射率改变量,实现π相移量所 由于硅材料具有很大的热光系数,在1550nm 需的调制臂,臂长就可以很大程度缩短。慢光结构波长附近为1.86×10-4K-,因此热光移相器具有 多种多样,例如:布拉格光栅、光子晶体和MRR等。很好的相位调节效率。热光移相器结构简单,易于 MRR由于其结构简单以及易于加工等优点,可以实现且稳定性较高。常用的结构一种是在波导包层 更方便地与MZI结合。 之上加一层金属电阻(如TiN),对金属电阻进行加 与单波导耦合的MRR处于过耦合状态时,在热,热量传导到波导上改变波导的温度,从而实现折 其谐振波长附近,耦合波导的相位响应变化剧烈。射率调节。但是,由于SiO2的热传导系数很小,金 DR-MZI结构所使用的MRR需要工作于过耦合状属电阻上的热量传导到硅波导上较慢,并且有不少 态,图13(b)描述了DR-MZI开关单元的工作原理。热量向上传导损失掉,导致调节功耗较高;另一种是 将波导作为微加热器对波导本身进行加热,无掺杂 MRI 或轻掺杂的波导芯区作为高电阻区,两边的平板区 域都进行n++或者p+重掺杂,并通过金属接触形 成欧姆连接,为低阻区,这样就在波导上形成了一个 热电阻,由于波导芯区电阻较大,加电后热量直接在 波导上产生,避免了所需的热量传导过程,相比 (a)2×2DR-MZl结构示意图 于金属电阻加热,这种方法更为高效,功耗更低,调 IRR1&MRR,2丌 节速度也更快。虽然波导区两侧进行了掺杂,但在 MRR 加热过程中波导芯区的载流子浓度增加比较小,所 d(A1,2)=0 耍 (Ap)=T 引起的载流子吸收损耗可以忽略不计。 热光移相器的缺点是热光效应的响应时间较 长,大都在毫秒量级。此外,功耗较高也是热光移相 1-4 器的不足之处,当实现光开关多端口大规模集成时 交叉状态 片上功耗过高会产生严重的热串扰现象,因此降低 1-3功耗也是热光开关研究的重点 A 硅基电光移相器的原理是基于等离子色散效 波长 波长 应。在半导体材料中,自由载流子浓度的变化会导 (b) DR-MZL工作原理示意图 致该材料的折射率和吸收系数发生改变。当硅中自 图13DR-MZI光开关结构及工作原理示意图 由载流子的浓度变化为108cm-3时,硅材料折射率 初始状态下,两个完全相同的MRR的谐振波长重的变化大概为-10-3量级。实现载流子浓度变化 叠,因而它们耦合波导的相位响应也完全一致。由所采用的电学结构主要是PIN二极管。当向PIN 于上下两个调制臂的相位差为0,基于MZI的干涉二极管加电时,本征区注入大量自由载流子,改变了 原理,此时该开关单元工作于交叉状态。由于波导的折射率。电光开关的优势在于开关响应速度 MRR处于过耦合,MZI上下两臂的相位响应在快(纳秒量级),而且功耗较小;但是由于自由载流子 MRR的谐振波长附近从0~2x剧烈变化。如果在的吸收,损耗也会增大。 其中一个MRR中采用电光调制引入较小的相移使 热光和电光移相器各有优缺点:热光移相器结 其谐振波长蓝移,就可以在上下两臂之间引入π相构简单,在相位调节过程中不会影响开关的消光比、 位差,从而将 DR-MZI开关单元的工作状态切换到串扰和损耗等特性,但是开关速度慢;而电光移相器 直通状态。工作波长可以选在两个MRR谐振峰的则相反,反应速度快,但在开关过程中会引入额外的 中间点,工作带宽由两个MRR的耦合强度决定 损耗,导致消光比和串扰特性的恶化,采用推挽式电 17
相移来实现开关状态的切换,需要数百微米长的臂 长,导致开关单元的尺寸不够紧凑且所需功耗较高。 为了减少调制所需的相移量从而减少功耗,可以采 用慢光结构来替代 MZI中较长的调制臂。波导中 的相移与其群折射率直接相关。因此,如果慢光结 构能引入较大的群折射率改变量,实现 π相移量所 需的调制臂,臂长就可以很大程度缩短。慢光结构 多种多样,例如:布拉格光栅、光子晶体和 MRR 等。 MRR由于其结构简单以及易于加工等优点,可以 更方便地与 MZI结合。 与单波导耦合的 MRR 处于过耦合状态时,在 其谐振波长附近,耦合波导的相位响应变化剧烈。 DR-MZI结构所使用的 MRR 需要工作于过耦合状 态,图13(b)描述了 DR-MZI开关单元的工作原理。 -驻n MRR1 MRR2 （a） 2×2 DR鄄MZI 结构示意图 2仔 相 位 仔 0 姿1，2 驻准（姿1，2）=0 MRR1 & MRR2 波长 2仔 相 位 仔 0 MRR2 MRR1 驻准（姿p）=仔 波长 姿p 姿2 姿1 传 输 1 0 1-4 1-3 姿1，2 波长 姿p 波长 传 输 1 0 1-4 1-3 交叉状态 （b） DR鄄MZI 工作原理示意图 图13 DR-MZI光开关结构及工作原理示意图 初始状态下,两个完全相同的 MRR 的谐振波长重 叠,因而它们耦合波导的相位响应也完全一致。由 于上下两个调制臂的相位差为0,基于 MZI的干涉 原理,此 时 该 开 关 单 元 工 作 于 交 叉 状 态。 由 于 MRR 处 于 过 耦 合,MZI上 下 两 臂 的 相 位 响 应 在 MRR的谐振波长附近从0~2π剧烈变化。如果在 其中一个 MRR 中采用电光调制引入较小的相移使 其谐振波长蓝移,就可以在上下两臂之间引入 π相 位差,从而将 DR-MZI开关单元的工作状态切换到 直通状态。工作波长可以选在两个 MRR 谐振峰的 中间点,工作带宽由两个 MRR的耦合强度决定。 2.1.3 移相器 光开关对输入光信号进行路由,这个过程需要 通过移相器调节相位来完成。硅波导移相器根据其 工作原理主要分为基于热光效应的热光移相器和基 于等离子体色散效应的电光移相器两种。 由于硅材料具有很大的热光系数,在1550nm 波长附近为1.86×10-4K-1,因此热光移相器具有 很好的相位调节效率。热光移相器结构简单,易于 实现且稳定性较高。常用的结构一种是在波导包层 之上加一层金属电阻(如 TiN),对金属电阻进行加 热,热量传导到波导上改变波导的温度,从而实现折 射率调节。但是,由于 SiO2 的热传导系数很小,金 属电阻上的热量传导到硅波导上较慢,并且有不少 热量向上传导损失掉,导致调节功耗较高;另一种是 将波导作为微加热器对波导本身进行加热,无掺杂 或轻掺杂的波导芯区作为高电阻区,两边的平板区 域都进行n++ 或者p ++ 重掺杂,并通过金属接触形 成欧姆连接,为低阻区,这样就在波导上形成了一个 热电阻,由于波导芯区电阻较大,加电后热量直接在 波导上产生,避免了所需的热量传导过程[81],相比 于金属电阻加热,这种方法更为高效,功耗更低,调 节速度也更快。虽然波导区两侧进行了掺杂,但在 加热过程中波导芯区的载流子浓度增加比较小,所 引起的载流子吸收损耗可以忽略不计。 热光移相器的缺点是热光效应的响应时间较 长,大都在毫秒量级。此外,功耗较高也是热光移相 器的不足之处,当实现光开关多端口大规模集成时, 片上功耗过高会产生严重的热串扰现象,因此降低 功耗也是热光开关研究的重点。 硅基电光移相器的原理是基于等离子色散效 应。在半导体材料中,自由载流子浓度的变化会导 致该材料的折射率和吸收系数发生改变。当硅中自 由载流子的浓度变化为1018cm-3时,硅材料折射率 的变化大概为 -10-3 量级。实现载流子浓度变化 所采用的电学结构主要是 PIN 二极管。当向 PIN 二极管加电时,本征区注入大量自由载流子,改变了 波导的折射率。电光开关的优势在于开关响应速度 快(纳秒量级),而且功耗较小;但是由于自由载流子 的吸收,损耗也会增大。 热光和电光移相器各有优缺点:热光移相器结 构简单,在相位调节过程中不会影响开关的消光比、 串扰和损耗等特性,但是开关速度慢;而电光移相器 则相反,反应速度快,但在开关过程中会引入额外的 损耗,导致消光比和串扰特性的恶化,采用推挽式电 17 周林杰 等: 集成光开关发展现状及关键技术
光通信研究 2019年第1期总第211期 光移相器设计或级联开关单元结构可以弥补这方面 PILOSS结构是在 Crossbar结构的基础上提出 的不足 的改进型拓扑结构,它可以避免不同交换路径插入 2.2集成光开关拓扑结构 损耗的不一致性。 PILOSS结构的阻塞性质与 影响光开关性能的一个重要因素是光开关矩阵 Crossbar相同,为广义无阻塞。 PILOSS拓扑结构 的拓扑结构,多端口光开关基本都由基本开关单元包含有N2个开关单元和N-1个波导交叉结。该 通过一定的拓扑网络相互连接而成。光开关拓扑结结构最大的特点就是连接任意输入输出端口的传输 构可分为有阻塞和无阻塞两种,无阻塞又分为严格路径都会经过N个开关单元和N-1个波导交叉 无阻塞、广义无阻塞和可重构无阻塞3种[8。严格结。因此,理论上该拓扑结构的路径损耗不均匀性 无阻塞交换是指只要连接的起点和终点是空闲的,为0。图15所示为4×4 PILOSS拓扑结构的示意 不管采用哪种算法,任何时刻都可以在交换网络中图 建立一个连接,而不影响现有已经建立好的光路;广 义无阻塞网络是指如果按照某种特定算法建立连 接那么就不会影响到现有的光路;可重构无阻塞是 指只要某个连接的起点和终点是空闲的,任何时刻 都可以在交换网络中直接或间接对已有的光路重新 配置来建立一个新的光路。下面介绍几种硅基光开 图154×4 PILOSS拓扑结构示意图 关中常用的拓扑网络结构。 2.2.2S&S网络结构 2.2.1交叉开关矩阵网络结构 图16所示为4×4S8S拓扑结构的示意图, 图14所示为4×4交又开关矩阵( Crossbar)拓s8s结构的阻塞性质为严格无阻塞。一个NxN 扑结构的示意图。 Crossbar结构是一种应用广泛的S8.s拓扑结构可以拆分为3个部分,分别为输 的光开关拓扑结构,该拓扑结构由N行乘以N列个 开关单元组成一个N×N端口的开关网络。因此, 该开关网络的基本开关单元为N2个。 Crossbar结 构的阻塞性质为广义无阻塞,由于结构较为简单,因 而控制算法也非常简单。 Crossbar结构的优点在 l2 O, 输出O1-O4 4×4S8.S拓扑结构示意 0 入/输出交换阵列和连接这两个部分的无源交换网 输出O1-O4 路。输入/输出交换阵列由N个1×N二叉树子交 图144×4 Crossbar拓扑结构示意图 换阵列组成,每个1×N二又树子交换阵列由log2N 于其拓扑网络中没有波导交叉,避免了由于波导交级1×2基本开关单元组成。因此S8S拓扑结构也 叉引起的损耗和串扰。该结构的缺点在于其不同交叫二又树结构。中间的无源交换网络由波导和波导 换路径经过的基本开关单元数量不一致,导致不同交叉结组成。该结构共有2N×(N-1)个1×2开 路径的损耗差异性很大。在N×N的交换网络中,美单元,每条传输路径均会经过2log2N个开关单 传输路径中开关单元数量最少为1,最多为2N-元。S8S拓扑结构存在的最大问题是其中间连接 1。假设每个开关单元引入的损耗为L,则该拓扑输入和输出阵列的无源交换网络需要大量的波导交 结构的路径损耗不均匀性为(2N-2)×Ls。 叉结导致片上插入损耗增加,而且不同交换路径波
光移相器设计或级联开关单元结构可以弥补这方面 的不足。 2.2 集成光开关拓扑结构 影响光开关性能的一个重要因素是光开关矩阵 的拓扑结构,多端口光开关基本都由基本开关单元 通过一定的拓扑网络相互连接而成。光开关拓扑结 构可分为有阻塞和无阻塞两种,无阻塞又分为严格 无阻塞、广义无阻塞和可重构无阻塞3种[82]。严格 无阻塞交换是指只要连接的起点和终点是空闲的, 不管采用哪种算法,任何时刻都可以在交换网络中 建立一个连接,而不影响现有已经建立好的光路;广 义无阻塞网络是指如果按照某种特定算法建立连 接,那么就不会影响到现有的光路;可重构无阻塞是 指只要某个连接的起点和终点是空闲的,任何时刻 都可以在交换网络中直接或间接对已有的光路重新 配置来建立一个新的光路。下面介绍几种硅基光开 关中常用的拓扑网络结构。 2.2.1 交叉开关矩阵网络结构 图14所示为4×4交叉开关矩阵(Crossbar)拓 扑结构的示意图。Crossbar结构是一种应用广泛 的光开关拓扑结构,该拓扑结构由 N 行乘以N 列个 开关单元组成一个 N ×N 端口的开关网络。因此, 该开关网络的基本开关单元为 N2 个。Crossbar结 构的阻塞性质为广义无阻塞,由于结构较为简单,因 而控制算法也非常简单。Crossbar结构的优点在 输 入 I ~1 I4 I1 I2 I3 I4 输出 O1~O4 O1 O2 O3 O4 图14 4×4Crossbar拓扑结构示意图 于其拓扑网络中没有波导交叉,避免了由于波导交 叉引起的损耗和串扰。该结构的缺点在于其不同交 换路径经过的基本开关单元数量不一致,导致不同 路径的损耗差异性很大。在 N ×N 的交换网络中, 传输路径中开关单元数量最少为 1,最多为 2N - 1。假设每个开关单元引入的损耗为LSE,则该拓扑 结构的路径损耗不均匀性为(2N -2)×LSE。 PILOSS结构是在Crossbar结构的基础上提出 的改进型拓扑结构,它可以避免不同交换路径插入 损耗 的 不 一 致 性。PILOSS 结 构 的 阻 塞 性 质 与 Crossbar相同,为广义无阻塞。PILOSS 拓扑结构 包含有 N2 个开关单元和 N -1个波导交叉结。该 结构最大的特点就是连接任意输入输出端口的传输 路径都会经过 N 个开关单元和 N -1个波导交叉 结。因此,理论上该拓扑结构的路径损耗不均匀性 为0。图15所示为4×4PILOSS拓扑结构的示意 图。 输 入 I ~1 I4 输 出 O ~1 O4 I1 I2 I3 I4 O1 O2 O3 O4 图15 4×4PILOSS拓扑结构示意图 2.2.2 S&S网络结构 图16所示为 4×4S&S 拓扑结构的示意图, S&S结构的阻塞性质为严格无阻塞。一个 N ×N 的S&S拓扑结构可以拆分为3个部分,分别为输 输出 O1~O4 O1 O2 O3 O4 输 入 I ~1 I4 I1 I2 I3 I4 图16 4×4S&S拓扑结构示意图 入/输出交换阵列和连接这两个部分的无源交换网 路。输入/输出交换阵列由 N 个1×N 二叉树子交 换阵列组成,每个1×N 二叉树子交换阵列由log2N 级1×2基本开关单元组成。因此,S&S拓扑结构也 叫二叉树结构。中间的无源交换网络由波导和波导 交叉结组成。该结构共有2N × (N -1)个1×2开 关单元,每条传输路径均会经过2log2N 个开关单 元。S&S拓扑结构存在的最大问题是其中间连接 输入和输出阵列的无源交换网络需要大量的波导交 叉结导致片上插入损耗增加,而且不同交换路径波 18 光通信研究 2019年 第1期 总第211期
